Penentuan Kualitas Berkas Radiasi Pesawat Sinar-X

I. Pendahuluan

Pesawat sinar-X menghasilkan spektrum kontinyu dengan rentang energi dari 0 (nol) sampai nilai maksimum yang ditentukan oleh tegangan kerja (kVp) yang dipilih. Gambar 1 menunjukkan bahwa intensitas sinar-X sebagian besar dihasilkan pada energi yang lebih rendah dari nilai maksimum, energi efektif pada umumnya berada pada sekitar daerah intensitas maksimum, dan besarnya mendekati 1/3 dari energi maksimum. Suatu sinar-X umumnya dikarakterisasi dengan energi maksimumnya, namun dalam kegunaannya yang dipakai adalah energi efektifnya [1, 2].

Berkas sinar-X energi rendah tidak memiliki energi yang cukup untuk menembus pasien, sehingga tidak berperan dalam memberikan informasi diagnostik pada film atau penerima citra. Dilain pihak, sinar-X pada energi sangat rendah dapat mengakibatkan tambahan penerimaan dosis pasien yang sebetulnya tidak diperlukan.
Makalah ini merupakan sebuah studi awal untuk mengetahui tentang kualitas berkas radiasi sinar-X. Berawal dari adanya gambaran fenomena penggunaan kVp yang berlebihan untuk penyinaran, maka muncul hipotesa bahwa ada yang tidak layak pada pesawat sinar-X tersebut. Gambaran fenomena tersebut diperoleh dari tiap kali penyinaran ekstrimitas atau yang memerlukan kVp tidak terlalu tinggi (sekitar 40-55 kVp) justru memerlukan settingan parameter penyinaran dengan kVp yang lebih tinggi, yaitu sekitar 60 – 70 kVp. Sedangkan untuk thoraks digunakan settingan 80 kVp. Perkiraan yang muncul, bahwa energi yang dihasilkan oleh pesawat sinar-X kurang memenuhi standar yang dipersyaratkan. Oleh karena itu untuk memperoleh informasi tentang kualitas energi sinar-X maka dilakukan pengukuran kualitas radiasi dari keluaran sinar-X pada pesawat tersebut.

II. Kualitas Berkas Pesawat Sinar-X

Daya tembus sinar-X ditunjukkan dengan nilai energi efektif berkas sinar-X itu sendiri. Berkas sinar-X yang memiliki energi tinggi memiliki daya tembus yang lebih tinggi dibandingkan dengan berkas sinar-X berenergi lebih rendah. Kemampuan untuk menembus itulah atau daya tembus berkas sinar-X dikenal dengan kualitas berkas sinar-X. Untuk pesawat radiologi diagnostik, kualitas berkas radiasi dikarakterisasi secara numerik dengan nilai tebal paruh atau Half Value Layer (HVL) [2], karena HVL dapat diukur secara cepat menggunakan teknik tanpa pembongkaran tabung (non-invasive).

HVL dari berkas sinar-X adalah ketebalan bahan yang dibutuhkan untuk mengurangi intensitas sinar-X menjadi setengah dari intensitas semula. Keuntungan dari penggunaan HVL adalah meningkatnya energi efektif sinar-X dan secara tidak langsung meningkatkan kinerja pesawat sinar-X. Apabila energi efektif pada berkas sinar-X meningkat karena adanya peningkatan energi efektif akibat penambahan filter, maka daya tembus sinar-X juga meningkat. [2].

Penggunaan berkas sinar-X dengan spektrum energi yang lebar (seperti pada Gambar 1) untuk prosedur diagnostik tertentu tidak dapat menghasilkan citra yang baik sebagaimana dihasilkan dengan menggunakan rentang energi yang tepat. Selain itu, sinar-X energi rendah dapat menghasilkan kontras buruk pada beberapa bagian di dalam tubuh. Kontras pada citra diantara bagian tersebut sangat kecil, hal ini tergantung dari energi sinar-X. Misalnya, kontras yang baik antara 2 (dua) jaringan dapat diperoleh dengan energi tinggi. Jika energi terlalu rendah maka kontras akan berkurang. Hal yang sama dapat terjadi pada jaringan tubuh lainnya termasuk tulang, otot, cairan, dan organ yang terisi dengan udara. Dengan demikian, jenis informasi diagnostik tertentu juga memerlukan energi sinar-X tertentu.

Salah satu solusi yang diajukan untuk menyelesaikan permasalahan tersebut adalah dengan menerapkan metode sederhana, yaitu memasang filter tambahan pada berkas radiasi. Pemasangan filter ini akan mengeliminasi energi sinar-X yang rendah dan meningkatkan energi efektifnya seperti ditunjukkan pada Gambar 1B.

Pada Gambar 1B dapat diketahui bahwa ada 3 kurva, pertama, kurva tanpa filter, kedua, dengan filter 1 mm, dan kurva ketiga dengan filter 3 mm. Selain itu dengan menggunakan filter, intensitas sinar-X berenergi rendah akan dieliminasi dengan prosentase yang signifikan. Terlihat juga bahwa puncak spektrum telah bergeser pada energi yang lebih tinggi, akibatnya energi efektif lebih besar dibandingkan sebelum dipasang filter.

Penambahan filter yang disesuaikan dengan kebutuhan, mengakibatkan energi efektif (secara teori) dapat bergeser kearah energi maksimum. Sesuai dengan gambaran tersebut penambahan filter yang sesuai akan mengurangi intensitas sinar-X yang tidak diperlukan dalam proses radiodiagnostik, sehingga akan menghasilkan citra lebih baik sesuai dengan yang diinginkan. Oleh karena itu, penggunaan filter yang sesuai, akan menghasilkan beberapa keuntungan seperti: eliminasi sinar-X energi rendah, meningkatkan energi efektif, dan pengurangan penerimaan dosis pada pasien.

Pemasangan filter pada pesawat sinar-X merupakan metode sederhana, namun ada permasalahan di lapangan dalam memenuhi tuntutan tersebut, yaitu pesawat sinar-X sudah memiliki filter bawaan (inheren filter) yang didisain sebagai bagian integral dari perangkat rumah tabung dan peralatan pembatas berkas, dan tidak dilengkapi dengan fasilitas pengaturan filter tambahan (added filter) sehingga menjadi sangat sulit untuk menambah jumlah filter yang ada tanpa melakukan pembongkaran.

Bahan filter yang umum digunakan dalam radiologi diagnostik adalah Aluminium (Al). Hal tersebut karena sifat Al yang ringan (nomor atom rendah), mudah dibuat, dan mempunyai sifat absorbsi yang sesuai untuk energi sinar-X diagnostik [1]. Dengan demikian, persyaratan HVL secara khusus setara dengan beberapa milimeter Al. Karena Al beragam kemurniannya, maka standar internasional menetapkan jenis Al dengan jenis alloy 110 dan kemurnian tinggi di atas 99% [3].

Standar Internasional [4] telah menetapkan suatu ketentuan bahwa pesawat sinar-X harus memenuhi nilai HVL minimum pada tegangan operasi yang sesuai. Misalnya: HVL minimum 2,3 mmAl pada 80 kVp, dan 1,5 mmAl untuk 70 kVp.

Secara teori, perhitungan HVL memenuhi persamaan berikut: I = I0 x exp(-0,693 x n) dengan n = d/HVL, jika I = 1/2 x I0 maka n = 1 dan d = HVL karena I/I0 = (1/2)^n. Artinya, jika intensitas awal berkurang separo setelah melewati bahan setebal d, maka setebal d itulah HVL-nya. Variabel I dalam persamaan tersebut adalah intensitas sinar-X setelah melewati bahan dengan ketebalan d, sedangkan I0 adalah intensitas awal.

Pengujian HVL dilakukan melalui penyinaran berkas radiasi dengan variasi penambahan ketebalan filter Al pada berkas. Tujuannya memastikan dalam batasan yang dapat diterima bahwa pesawat sinar-X memiliki filtrasi yang cukup pada berkas untuk menghasilkan HVL yang tepat pada tegangan puncak tabung tertentu. Tahapan pengujian kualitas berkas radiasi dapat dilakukan sbegai berikut [3]:

1. peralatan yang diperlukan: alat ukur radiasi untuk energi rendah, meteran, HVL kit Aluminium (Al) 1100 alloy dengan ketebalan bervariasi 1 – 5 mm. 
2. Posisikan tabung sinar-X tegak lurus menghadap meja dengan jarak fokus ke alat ukur radiasi 100 cm. 
3. Atur kolimasi dengan ukuran 15 cm x 15 cm. 
4. Kondisi penyinaran 80 kVp, atur mAs yang sesuai misalnya 5 – 10 mAs. 
5. Lakukan penyinaran tanpa ada Al di kolimator, catat paparan yang dihasilkan (sebagai paparan awal). 
6. Pasang Al 1 mm di kolimator dengan pita perekat sehingga menutupi arah berkas radiasi. 
7. Lakukan penyinaran, dan catat paparan yang dihasilkan. 
8. Tambahkan ketebalan Al yang terpasang, kemudian lakukan penyinaran kembali, sehingga paparan yang dihasilkan sudah mencapai ½ dari paparan awal. 
9. Buat grafik logaritmik antara fraksi atenuasi (paparan pada ketebalan x mmAl dibagi dengan paparan pada ketebalan 0) dengan ketebalan Al, cari nilai HVL dari nilai ½ fraksi atenuasi awal.

Pada Gambar 2 dan Tabel 2 disajikan cara perhitungan HVL berdasarkan pada data hasil pengukuran pesawat sinar-X. Nilai HVL dapat diperoleh dengan menentukan posisi fraksi atenuasi 0,5 (50%) dari fraksi atenuasi awal pada sumbu-x, kemudian menarik garis lurus ke kurva untuk mendapatkan nilai HVL pada sumbu-y atau dengan menggunakan persamaan yang diperoleh yaitu sebesar y = -2,32Ln(x) + 0,140. Persamaan yang digunakan adalah logaritmik karena sesuai dengan persamaan I = I0 x exp(-0,693 x n).

Sesuai dengan persamaan tersebut maka nilai HVL dapat diketahui sebesar 1,75 mmAl. Bila dibandingkan dengan standar HVL minimum untuk 80 kVp (2,3 mmAl), maka nilai HVL tersebut belum memenuhi persyaratan kualitas radiasi minimum. Kemungkinan besar hal ini disebabkan oleh kualitas filter bawaan dan disain tabung yang tidak memenuhi syarat minimum.

Pada Bagian Pendahuluan sudah disampaikan bahwa ada fenomena penggunaan kVp yang berlebihan untuk penyinaran. Adanya fenomena seperti itu kemudian muncul ide untuk mengetahui berapa kualitas radiasi pesawat sinar-X tersebut. Sesuai dengan hasil yang diperoleh tersebut maka menunjukkan bahwa kualitas keluaran radiasi dari pesawat kurang memenuhi standar persyaratan minimum.

Hal tersebut menunjukkan bahwa fenomena yang terjadi itu disebabkan oleh salah satu faktor yang menentukan kinerja pesawat sinar-X yaitu kualitas berkas radiasi yang kurang memenuhi persyaratan minimum. Oleh karena itu, disarankan untuk segera memberikan tambahan filter (added filter) sehingga memenuhi kualitas berkas yang diinginkan dalam penggunaan pesawat sinar-X tersebut. Ketebalan filter tambahan dapat diketahui dengan menambahkan mulai 0,5 mmAl kemudian diukur kualitas radiasinya, apabila masih kurang maka ditambah lagi ketebalannya sehingga diperoleh ketebalan filter tertentu dengan diperoleh kualitas radiasi yang sesuai persyaratan internasional.

Apabila filter tidak ditambahkan, maka diperkirakan, jika pesawat yang tidak memenuhi standar HVL minimum cenderung memiliki kebocoran tabung yang tinggi.

III. Kesimpulan

Berawal dari hipotesa sementara bahwa ada pesawat sinar-X diagnostik selalu menggunakan parameter operasi yang lebih tinggi dari pesawat sinar-X lainnya. Telah dilakukan pengukuran kualitas berkas radiasi pesawat sinar-X radiologi diagnostik dan diperoleh nilai HVL sebesar 1,75 mmAl pada 80 kVp. Maka nilai HVL tersebut belum memenuhi persyaratan kualitas radiasi minimum. Kemungkinan besar hal ini disebabkan oleh kualitas filter bawaan dan disain tabung yang tidak memenuhi syarat minimum. Hal tersebut menunjukkan bahwa fenomena yang terjadi itu disebabkan oleh salah satu faktor yang menentukan kinerja pesawat sinar-X, yaitu kualitas berkas radiasi yang kurang memenuhi persyaratan minimum. Oleh karena itu, disarankan untuk segera memberikan tambahan filter (added filter) sehingga memenuhi kualitas berkas yang diinginkan dalam penggunaan pesawat sinar-X tersebut. Diperkirakan, jika pesawat yang tidak memenuhi standar HVL minimum cenderung memiliki kebocoran tabung yang tinggi.

IV. Pustaka

[1] Meredith, W. J., Massey, J.B., “Fundamental Physics of Radiology”, Second edition, John Wrigt & Sons Ltd, 1972.
[2] Sprawls, P. Jr., “Physical Principles of Medical Imaging”, second edition, Aspen Publisher, USA, 1995 dan http://www.sprawls.org/ppmi2/RADPEN/
[3] RADIATION SAFETY ACT 1975, “Workbook 3 Major Radiographic Equipment”, Diagnostic X-Ray Equipment Compliance Testing, Health Department Of Western Australia, Australia, 2006.
[4] CODE OF FEDERAL REGULATIONS, “21 CFR Subchapter J Radiological Health”, Revised as of April 2007, Center For Devices And Radiological Health (CDRH), United State (US), 2007.